路基高邊坡錨索加固方案的預應力損失分析

付冬林

（上海同濟檢測技術有限公司,上海 201900）

0 引言

隨著經濟的高速發展，我國高速公路建設數量逐漸增多，邊坡治理問題成為影響高速公路質量的重要難題。部分高速公路由于地形地貌結構復雜特殊，須對邊坡進行合理有效治理，確保其穩定性，保障道路安全。預應力錨索加固施工便捷、成本低廉、加固效果顯著[1-3]。該文針對高速公路路基邊坡錨索加固預應力損失誘因進行分析，并提出針對性改善措施，對提高邊坡穩定性、確保高速公路質量具有深遠意義。

1 工程概況

某高速合同段，路基高邊坡錨索加固項目，頂面長度21 m，高42 m，路基底面長度48 m，邊坡如下圖所示，其由自然邊坡與人工邊坡共同構成。圖①和圖③為自然邊坡，圖②為人工邊坡，兩者坡度分別為1 ∶1.25和1 ∶1.2。

路基高邊坡錨索加固時，人工開挖邊坡，表面澆筑混凝土，厚度約30 cm，隨后設置高強度低松弛鋼絞線，進行預應力錨索加固，錨索共3 道，間距8.5 m，詳見圖1 所示。

圖1 邊坡計算模型示意圖

2 模型建立

以ANSYS 有限元軟件進行預應力錨索路基高邊坡數值模型的建立，有限元模型如圖2 所示，模型為6 節點5 面體單元，節點7 235個，單元5 618個。

圖2 有限元模型示意圖

采用二維4 節點平面應變單元，在有限元模型中模擬巖土，同時采用二維桿單元LINK1 模擬錨索，采用初應變法施加預應力。設置約束條件對錨索邊坡加固環節進行精確數據計算：1）約束邊坡左側位移和底部豎直位移；2）確保邊坡左右對稱，且無剪應力存在；3）無路基邊坡豎向限制，存在豎向變形可能性。表1 為有限元模型選取材料的詳細物理參數值。

表1 材料物理力學參數選取

3 錨索預應力損失原因分析

巖土體蠕變、張拉鎖定、漿體收縮、鋼絞線松弛、施工工藝等均為路基高邊坡錨索加固時錨索預應力損失的主要誘因[4-5]。

3.1 錨索張拉過程中預應力損失

錨索鉆孔過程中，由于加固錨索較長和設備自身振動以及自重等因素影響，可能導致鉆桿彎曲下沉，使鉆道彎折難成直線。彎曲程度越大，錨索張拉過程中出現應力損失的可能性越大，錨索鉆孔彎曲度與錨索預應力損失值之間的關系如式（1）所示。

式中，P——錨索張拉荷載；ΔP——錨索預應力損失值；n——錨索鉆孔孔道偏斜率。

錨索張拉系統包括千斤頂、增壓油泵、輸送油管和壓力表，使用過程中選擇張拉方式不同，會導致錨索預應力損失程度有所差異。結合地形因素和環境條件，實踐中多以單臺設備依次張拉錨索，該方案雖然使用便捷且可操作性強，但是使用中易造成錨索變形，預應力損失程度較大。

3.2 錨索鎖定時預應力損失

隨著錨索被張拉，其預應力逐漸增加至荷載水平，此時將千斤頂卸載后，在卡片與鋼絞絲的瞬時收縮力作用下，錨具被瞬間鎖定，與此同時錨索與孔道之間存在的摩擦作用力、鋼絞絲回縮作用力影響下，會使錨索預應力出現不同程度的損失[6]。

3.3 錨索鎖定后預應力損失

錨索鎖定后出現預應力損失是一個長期演變的過程，對此產生影響的因素包括施工工藝、巖體變形、注漿材料選擇、鋼絞絲松弛等因素。圖3 為錨索鎖定之后預應力損失情況。

圖3 錨索預應力長期變化曲線

4 錨索預應力損失影響分析

選用ANSYS 建立有限元模型，為探究錨索預應力損失和錨索變形及錨索加固邊坡安全系數之間的關系，假定每次錨索預應力的損失為200 kN，分別探究錨索預應力在0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情況下的模型變化規律并對其進行討論，結果如下：

4.1 錨索預應力損失對安全系數影響

借助ANSYS 有限元軟件建立錨索加固邊坡數值，比較錨索預應力數值為0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情況下錨索加固邊坡安全系數變化情況，并對其變化規律進行分析，詳見圖4 所示。

圖4 錨索預應力－安全系數變化曲線

對圖4 分析可知，錨索加固邊坡安全系數與錨索預應力水平之間存在相關性，錨索加固邊坡安全系數隨錨索預應力的減小而降低。證明錨索加固邊坡此時的安全性最差，穩定性不足。

4.2 錨索預應力損失對位移和變形影響

采用有限元軟件建立邊坡數值模型，探究錨索預應力損失與錨索加固邊坡位移和錨索變形之間的關系，針對錨索預應力分別為0 kN、200 kN、400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN、1 200 kN 情況下的錨索加固邊坡主應力值、剪力值、最大位移值等變化規律進行分析，詳見圖5 所示。

對圖5 分析可知：1）隨錨索預應力損失越大，錨索加固邊坡的水平位移值和豎向位移值越大。錨索預應力從最大值1 200 kN 變為1 000 kN 時，邊坡位移并無明顯變化，表明預應力損失初期無邊坡位移。當預應力水平從200 kN 降低到0 kN 時，邊坡位移明顯增加，錨索預應力完全喪失，錨索加固邊坡位移巨大，邊坡穩定性受阻。2）錨索預應力減小的情況下，邊坡剪應力與主應力也隨之減小，主應力隨錨索預應力損失變化的趨勢小，剪應力隨錨索預應力損失變化的趨勢大，即錨索預應力損失對邊坡剪應力的影響較大。

圖5 錨索預應力分別與位移和應力變化曲線

4.3 錨索預應力損失對塑性區變形影響

通過有限元軟件ANSYS 建立邊坡數值模型，對錨索預應力損失與錨索加固塑性區變形之間的內在關聯進行研究，并對錨索預應力取值為400 kN、600 kN、800 kN、1 000 kN 情況下的錨索邊坡塑性區變化情況進行了對比性分析。結果如下：1）隨著錨索預應力損失程度增加，邊坡塑性區位移值增大；2）錨索預應力水平為1 000 kN時，邊坡塑性區位移并無明顯變化，而當錨索預應力損失到800 kN 時，邊坡塑性區位移值增大；3）錨索預應力損失后取值為600 kN 時，塑性區坡腳出現隆起；4）錨索預應力損失至400 kN 時，塑性區擴展，邊坡中心位置被侵犯，即邊坡穩定性顯著降低，出現了明顯的滑動面，即邊坡變形[7-8]。

5 施工建議

錨索預應力損失與注漿材料、施工工藝、鋼絞絲松弛張拉等密切相關，這是一個不可避免的過程，而采取有效措施降低錨索預應力損失值，則是提高邊坡穩定性的重要舉措。

（1）鋼絞線具備松弛特性，易在荷載作用下導致錨索預應力損失，需選高強度低松弛性能的鋼絞線，作為錨索材料。

（2）錨索預應力損失最大的階段在錨索張拉過程中，需進行張拉補償，以減輕預應力損失。

（3）注漿材料包括水泥、細砂、添加劑、水等，需合理配備材料比例達到施工要求，符合工藝規范。漿體密實度須大于90%，提高漿體與錨固基巖間黏結強度，確保二次高壓劈裂注漿效果。

（4）鉆孔過程保持孔道垂直，避免錨索穿梭過程中扭轉。

6 結論

該文對錨索加固邊坡錨索預應力損失的誘因進行了分析，并結合實踐得出以下結論：

（1）錨索加固邊坡預應力損失主要分為長期損失和短期損失兩種類型，前者由鋼絞線松弛、巖土體蠕變、漿體收縮等引起，后者由張拉鎖定時預應力瞬時損失引起。錨索預應力損失會導致邊坡水平、豎直位移增加，從而降低邊坡安全系數，主應力、剪應力減小，邊坡塑性區變形增加。

（2）為減少錨索預應力損失可選用以下措施：選擇高強度低松弛鋼絞線；確保鉆孔過程中孔道垂直和錨索無扭轉；張拉過程同步張拉并進行補償；注漿工序確保漿體質量與密實度。